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Die
Erfindung betrifft eine Fehlererkennung in einer elektrischen Baugruppe
mit einem Steuergerät
und einem Verbraucher, wobei sowohl Fehler im Steuergerät als auch
im Verbraucher erkannt werden können.
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Um
elektrische Systeme gegen Überhitzung zu
schützen,
werden üblicherweise
Schmelzsicherungen verwendet, die den Stromfluss in einem stromführenden
Leiter unterbrechen, wenn ein Kurzschluss auftritt oder ein unzulässig hoher
Strom fließt und/oder
die Umgebungstemperatur der entsprechenden Baugruppe eine Grenztemperatur übersteigt.
Darüber
hinaus können
Fehlerfälle
auftreten, bei denen in einem Steuergerät der elektrischen Baugruppe
ein Leckstrom oder ein sonstiger Strom fließt, der nicht durch den an
dem Steuergerät
angeschlossenen Verbraucher fließt. Solche Fehlerströme innerhalb
des Steuergeräts
führen
möglicherweise
nicht zu einem Auslösen
der Schmelzsicherung, können jedoch
das Steuergerät überhitzen
oder auf sonstige Weise Schäden
im Steuergerät,
in der elektrischen Baugruppe oder in der Endanwendung, die in die elektrische
Baugruppe eingebaut ist, hervorrufen.
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Daher
ist es notwendig, auch Fehler in der elektrischen Baugruppe zu erkennen,
die nicht zwangsläufig
zu einem Stromfluss in den Zuführungsleitungen
führt,
der z. B. über
dem maximal zulässigen
Strom liegt und somit zu einem sofortigen Auslösen der Schmelzsicherung führen würde.
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Eine Überhitzung
der Baugruppe kann bereits weit unterhalb des maximalen Betriebsstroms erfolgen,
wenn Heizleistung im Steuergerät
frei wird. Dies würde
jedoch von einer Schmelzsicherung nur verzögert erkannt, insbesondere
wenn diese außerhalb
des Steuergeräts
angeordnet ist. Zum Vermeiden von Schäden ist es daher sinnvoll,
einen möglichen
Fehler schneller zu detektieren.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fehlererkennungsvorrichtung
zum zuverlässigen
Detektieren von Fehlerfällen
in einer elektrischen Baugruppe zur Verfügung zu stellen, bei denen
eine Überhitzung
auftreten kann, auch wenn der zugeführte Strom den zulässigen Maximalstrom
nicht übersteigt.
Weiterhin sollen durch die Vorrichtung Fehlerfälle entdeckt werden, bevor
eine Überhitzung insbesondere
des Steuergeräts
auftreten kann. Zudem sollen auch Fehlerfälle erkannt werden, die zu hohen
Strömen
führen,
jedoch keine Überhitzung
in der Baugruppe zur Folge haben, wie z. B. einen harten Kurzschluss
in dem Steuergerät
oder dem Verbraucher.
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Diese
Aufgabe wird durch die Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen
von Fehlern in einer elektrischen Baugruppe gemäß Anspruch 1, einem elektrischen
System mit einer solchen Fehlererkennungsvorrichtung, einem Steuergerät und einem
Verbraucher gemäß Anspruch
5 sowie einer Verwendung einer Fehlererkennungsvorrichtung in einer elektrischen
Baugruppe gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist eine Fehlererkennungsvorrichtung zum Erkennen
eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe vorgesehen. Die Fehlererkennungsvorrichtung
umfasst einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor zum Detektieren
einer Angabe über
Stromflüsse
sowie eine Auslöseeinheit,
um abhängig
von den Angaben über
die die detektierten Stromflüsse
mit Hilfe eines Schalters einen Stromfluss durch die elektrische
Baugruppe zu unterbrechen.
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Die
Fehlererkennungsvorrichtung eignet sich insbesondere für den Einsatz
zur Überwachung
von Baugruppen mit einem Steuergerät und einem Verbraucher, wobei
der Verbraucher von dem Steuergerät angesteuert wird, z. B. über die
Leistung oder gemäß einem
Einschalt bzw. Ausschaltverhalten und dergleichen Fehlern
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Weiterhin
kann die Auslöseeinheit
einen Vergleicher umfassen, um die Angaben über die detektierten Stromflüsse miteinander
zu vergleichen und abhängig
von einer Differenz der detektierten Stromflüsse den Stromfluss durch die
elektrische Baugruppe zu unterbrechen, und kann weiterhin einen
Integrator umfassen, um das Ergebnis des Vergleichens zu integrieren,
so dass der Schalter mit einer Tiefpass gefilterten Steuergröße angesteuert
wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der erste und/oder zweite Detektor einen Shunt aufweisen, durch
den der zu messende Stromfluss geleitet wird, um eine von dem Stromfluss
abhängige
Messspannung bereitzustellen, wobei die jeweilige Messspannung der
Auslöseeinheit
bereitgestellt wird.
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Weiterhin
kann der erste und/oder zweite Detektor in der Auslöseeinheit
angeordnet sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann eine elektrische Baugruppe mit einem Verbraucher,
einem Steuergerät
zum Ansteuern des Verbrauchers und die obige Fehlererkennungsvorrichtung
vorgesehen sein. Der erste Detektor ist auf einem ersten Strompfad
von dem Steuergerät
zu dem Verbraucher vor dem Steuergerät angeordnet und der zweite
Detektor ist in einem zweiten Strompfad von dem Verbraucher zu dem
Steuergerät
zwischen dem Verbraucher und dem Steuergerät angeordnet.
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Mindestens
eines der Elemente, der erste Detektor, der zweite Detektor und
die Auslöseeinheit, können in
dem Steuergerät
vorgesehen sein, um eine integrierte Aufbauweise zu ermöglichen.
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Weiterhin
kann das Steuergerät über eine erste
Anschlussleitung mit einem ersten Gleichspannungspotential und über eine
zweite Anschlussleitung mit einem zweiten Gleichspannungspotential verbunden
sein. Der Verbraucher ist mit dem Steuergerät über eine erste Verbindungsleitung
und über eine
zweite Verbindungsleitung verbunden, wobei ein Steuermodul vorgesehen
ist, um elektrische Leistung an den Verbraucher anzulegen. Die erste
Anschlussleitung und die erste Verbindungsleitung sind direkt über das
Steuergerät
miteinander verbunden, wobei der erste Detektor in der zweiten Anschlussleitung angeordnet
ist und der zweite Detektor in der ersten Verbindungsleitung angeordnet
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Verwendung der obigen Fehlererkennungsvorrichtung
in einer elektrischen Baugruppe vorgesehen. Diese umfasst einen
Verbraucher und ein Steuergerät
zum Ansteuern des Verbrauchers, wobei der erste Detektor auf einem
ersten Strompfad von dem Steuergerät zu dem Verbraucher vor dem
Steuergerät
angeordnet wird, wobei der zweite Detektor in einem zweiten Strompfad
von dem Verbraucher zu dem Steuergerät zwischen dem Verbraucher
und dem Steuergerät
angeordnet wird.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung
zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung
zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 eine
schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer Fehlererkennungsvorrichtung
zum Erkennen eines Fehlers in einer elektrischen Baugruppe gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleicher
oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt
eine elektrische Baugruppe 1 mit einem Verbraucher 2,
z. B. einem Lüftermotor
und einem Steuergerät 3,
das über
eine erste 4 und eine zweite Anschlussleitung 5 mit
elektrischer Energie, z. B. mit einem elektrischen Gleichstrom,
versorgt wird. Das Steuergerät 3 steuert
den Verbraucher 2 gemäß einem
bereitgestellten Stellwert S an, um dem Verbraucher 2 abhängig vom
Stellwert S eine bestimmte elektrische Leistung zur Verfügung zu
stellen. Beispielsweise kann das Steuergerät 3 mit Hilfe eines Steuermoduls 6 abhängig von
dem Stellwert S ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugen, mit dem
ein erster Schalter S1 angesteuert, d. h. geöffnet oder geschlossen wird.
Dabei bestimmt der Stellwert S das Tastverhältnis zwischen einem Ein-Zustand
und einem Aus-Zustand des Schalters S1 in dem Steuergerät 3,
d. h. abhängig
von S wird die Zeitdauer, während
der der Schalter S1 geschlossen ist und die Zeitdauer, während der
der Schalter S1 geöffnet
ist, während
einer festgelegten Zykluszeit bestimmt. Der erste Schalter S1 im
Steuergerät 3 ist
vorzugsweise als Leistungstransistor ausgebildet. Alternativ kann
das Steuergerät
den Verbraucher auf sonstige z. B. von dem Stellwert S abhängigen Weise
ansteuern, z. B. Ein- bzw. Ausschalten gemäß einer vorgegebenen Funktion.
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Das
Steuergerät 3 ist
mit dem Verbraucher 2 über
eine erste Verbindungsleitung 7 und eine zweite Verbindungsleitung 8 verbunden,
um die elektrische Energie zuzuführen.
Dabei ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
die erste Anschlussleitung 4 direkt durch das Steuergerät 3 mit
der ersten Verbindungsleitung 7 verbunden und die zweite
Anschlussleitung 5 über
den ersten Schalter S1 mit der zweiten Verbindungsleitung 8 verbunden.
Selbstverständlich
ist es auch möglich
den Schalter S1 in der Verbindung zwischen der ersten Anschlussleitung 4 und
der ersten Verbindungsleitung 7 anzuordnen.
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Um
Fehlerfälle
aufgrund von fehlerhaften Stromflüssen in der Baugruppe 1 zu
detektieren, ist weiterhin eine Auslöseschaltung 10 vorgesehen,
die abhängig
von dem Erkennen eines Fehlerfalls einen Stromfluss durch die Baugruppe
durch einen zweiten Schalter S2 unterbricht. Der zweite Schalter
S2 ist in einer der Anschlussleitungen, z. B. in der zweiten Anschlussleitung,
wie es in 1 gezeigt ist, angeschlossen.
Der zweite Schalter S2 wird durch eine Steuerleitung 11 mit einem
Steuersignal von der Auslöseeinheit 10 angesteuert,
um den zweiten Schalter S2 in einem Auslösefall zu öffnen. Dadurch wird bei einem
Fehlerfall die Zufuhr von elektrischer Energie in das Steuergerät 3 und
zu dem Verbraucher 2 unterbrochen. Im Normalfall, d. h.
wenn kein Fehler aufgetreten ist, ist der zweite Schalter S2 geschlossen.
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Mithilfe
eines ersten Detektors 12, der in der zweiten Zuführungsleitung 5 angeordnet
ist und eines zweiten Detektors 13, der in der ersten Verbindungsleitung 7 zwischen
dem Steuergerät 3 und
dem Verbraucher 2 angeordnet ist, werden die Ströme auf der
jeweiligen Leitung erfasst und in dem Auslösegerät 10 ausgewertet.
Der erste Detektor 12 und der zweite Detektor 13 sind
so angeordnet, dass zwischen ihnen die Strompfade des Verbrauchers 2,
d. h. z. B. des Motors, und des Steuergeräts 3 angeordnet sind,
sodass im Normalfall ein Stromabfluss auf dem Strompfad zwischen
den beiden Detektoren 12, 13 zu einem Erkennen
einer Stromdifferenz in dem Auslösegerät 10 führt. Das
Erkennen der Stromdifferenz wird durch einen Vergleicher 15 in
der Auslöseeinheit 10 durchgeführt, an
dessen Ausgang das Steuersignal für den zweiten Schalter S2 anliegt.
Das Auslösegerät 10 steuert
dann in einem Fehlerfall, der durch das Erkennen einer Stromdifferenz
definiert ist, den zweiten Schalter S2 an, um diesen zu öffnen.
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So
kann erkannt werden, wenn ein Abfluss des Stroms von dem Strompfad
zwischen dem ersten Detektor 12 und bis zum zweiten Detektor 13,
d. h. ein Abfließen
eines Stroms in dem Verbraucher 2 bzw. aus dem Steuergerät 3 zu
einem weiteren Potenzial, z. B. ein Massepotential, nicht über die
entsprechende Anschlussleitung bzw. Verbindungsleitung erfolgt.
Z. B. könnte
in einem Kraftfahrzeug über die
Anschlussleitungen eine Gleichspannung angelegt sein und in dem
Verbraucher 2 neben der Verbindungsleitung mit dem negativen
(negativeren) Potential auch sonstige leitende Bereiche (Gehäuse und dergleichen)
vorgesehen sein, die auf das negative Potential gelegt sind. Dies
ist durch die gestrichelt gezeichnete Masseleitung 15 zwischen
der ersten Anschlussleitung 4 und dem Verbraucher 2 verdeutlicht. Fließt ein Strom über die
zweite Verbindungsleitung (positives (positiveres) Potential) über die
Masseleitung 14 ab (was einem Masse-Nebenschluß im Verbraucher
entspricht), so sind die Stromflüsse
durch die Detektoren 12, 13 ungleich und ein Fehlerfall
wird erkannt.
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Da
das Steuergerät 3 je
nach Anwendung in einem nicht leitenden Gehäuse integriert ist, sind darin
befindliche elektrische bzw. elektronische Elemente in der Regel
floatend, d. h. interne Leiter können
in der Regel nicht mit einem sonstigen Potenzial (wie z. B. dem
negativen Potential) in Kontakt kommen, wenn es nicht über die
Anschlussleitungen 4, 5 zugeführt wird. Jedoch ist es möglich, dass
für das Steuergerät 2 auch
ein weiterer Fehlerfall erkannt wird, bei dem ein Kurzschluss bzw.
eine Strombrücke einen
Fehlerstrom zwischen den beiden Potenzialen der Anschlussleitungen 4, 5 bewirkt.
Dies kann durch die besondere Anordnung der Detektoren 12, 13 in einfacher
Weise festgestellt werden, wobei der erste Detektor 12 vor
dem Steuergerät 3 und
der zweite Detektor 13 hinter dem Steuergerät 3 bezüglich der Anordnung
des Steuergeräts 3 und
des Verbrauchers 2 detektiert werden.
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Die
Detektoren 12, 13 können in den entsprechenden
Leitungen angeordnet sein und über
Signalleitungen mit dem Auslösegerät 10 verbunden sein.
Alternativ können
die entsprechenden stromführenden
Leitungen durch das Steuergerät 10,
wie in 2 gezeigt ist, geführt werden und dort gemessen
und verglichen werden, um den Fehlerfall festzustellen. Weiterhin kann
auch der zweite Schalter S2 in dem Steuergerät 2 angeordnet und
entsprechend mit einem Vergleicher 15 verbunden sein.
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Die
Detektoren 12, 13 sind beispielsweise als Shunts,
d. h. geeichte Messwiderstände,
ausgebildet, an denen eine zum Strom proportionale Spannung gemessen
werden kann, die über
den Vergleicher 15 miteinander verglichen wird, um bei
einer Abweichung der Spannungen voneinander einen Fehlerfall festzustellen.
Eine für
einen Fehlerfall relevante Abweichung kann dabei erst nach Überschreiten eines
Differenz-Schwellwerts
durch die detektierte Differenz erkannt werden. Mit anderen Worten
kann beim Vergleichen der Ströme
somit eine Toleranz berücksichtigt
werden, sodass ein Auslösen
nur erfolgt, wenn die Stromdifferenz einen bestimmten Betrag überschreitet.
Dies kann bei dem Verwenden von Shunts als Messwiderstände ein
entsprechender Schwellwert für
die Spannungsdifferenz sein. Das Vorsehen eines Differenz-Schwellwerts kann
sinnvoll sein, wenn eine bestimmte Stromaufnahme durch das Steuermodul
berücksichtigt
werden soll, die Ursache einer durch die Auslöseeinheit 10 festgestellte Stromdifferenz
sein kann.
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Die
im Vergleicher 15 detektierte (relevante) Spannungsdifferenz
kann sofort zu einem Auslösen führen, bei
dem der zweite Schalter S2 geöffnet
wird. Alternativ kann die Spannungsdifferenz auch über einen
Tiefpassfilter 16 gefiltert werden, der z. B. als ein Integrator
ausgeführt
sein kann, so dass das Auslösen
erst erfolgt, wenn ein Integrationswert der Spannungsdifferenz über einen
bestimmten Zeitraum einen bestimmten Schwellwert übersteigt.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform gezeigt,
bei der die Auslöseschaltung 10 im
Steuergerät 3 integriert
ist. Dazu werden die Detektoren 12, 13, der zweite
Schalter S2 sowie das Auslösegerät 10 ebenfalls
im Steuergerät 3 vorgesehen.
Der erste Detektor 12 ist im Steuergerät 3 dann unmittelbar
an dem Anschluss, an die zweite Anschlussleitung 5 angeschlossen
ist, angeordnet, an dem die zweite Anschlussleitung 5 (bzw.
die erste Anschlussleitung 4) angeschlossen wird. Der zweite
Detektor 13 ist dann unmittelbar an dem Anschluss des Steuergeräts 3 angeordnet,
an dem die erste Verbindungsleitung 7 (bzw. die zweite
Verbindungsleitung 8) angeschlossen wird.
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Das
Steuergerät 3 kann
mit einer Schlaf-Schaltung (nicht gezeigt) versehen sein, die bei
abgeschaltetem Gesamtsystem das Steuergerät in einen Stromsparmodus versetzt.
Ein Aufwecken des Steuergeräts 3 kann
durch Detektieren einer Spannung an dem ersten Detektor 12 erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
hat den Vorteil, dass sowohl Stromabflüsse im Verbraucher 2 zu
weiteren Potenzialen zu einem Auslösefall führen, als auch ein interner
Kurzschluss im Steuergerät 3, bei
dem ein Teil des Stromes nicht durch den Verbraucher 2,
sondern zwischen den internen Zuführungsleitungen fließt.
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Als
Detektoren sind in den obigen Ausführungsformen Messwiderstände (Shunts)
vorgesehen und zur Ermittlung der Stromdifferenz wird der Vergleicher 15 verwendet,
was insbesondere bei der Bereitstellung eines Gleichstroms als Versorgungsstrom
sinnvoll ist. Die Detektion des fließenden Stroms und das Vergleichen
kann auch durch andere Messverfahren vorgenommen werden. Z. B. kann
bei Verwendung eines Wechselstrom als Versorgungsstrom eine Ringkernwicklung
vorgesehen werden, wobei durch den Ringkern die beiden stromführenden
Leitungen, an denen die Strommessung vorgenommen werden soll, geführt wird.
In der Ringkernwicklung wird ein Differenzstrom induziert, aus dem das
Steuersignal bestimmt wird. Auch können als Strom-Sensoren Hall-Sensoren,
GMR-Sensoren (GMR: Giant Magneto Resistance) und dergleichen verwendet
werden.